专利名称：用于校准电外科发生器中的功率测量的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电外科学。更具体地，本发明涉及用于校准电外科发生器内的功率测量的系统和方法。
背景技术：
电外科学包括高频电流在外科手术期间切割或修复生物组织的应用。电外科手术通过使用电外科发生器、有源电极和返回电极来执行。 电外科发生器(也被称作电源或波形发生器)产生交流电流(AC)，其通过有源电极施加到病人的组织并通过返回电极返回到电外科发生器。该交流电流典型地具有高于100千赫的频率以避免肌肉和/或神经刺激。在电外科手术期间，由电外科发生器产生的交流电流通过置于有源电极和返回电极之间的组织传导。组织的阻抗将与交流电流相关的电能量(也被称作电外科能量)转换为热量，其导致组织温度上升。电外科发生器通过控制提供给组织的电功率(即，每时刻的电能量)来控制组织的发热。虽然很多其它变量影响组织的总体发热，但是增加的电流密度通常导致增加的发热。电外科能量典型地用于切割、解剖、切除、凝结和/或闭合组织。使用的两种基本类型的电外科设备是单极和双极电外科设备。这两种电外科设备都使用有源电极和返回电极。在双极电外科设备中，外科设备包括位于同一设备上或彼此非常接近的有源电极和返回电极，通常使得电流流过少量组织。在单极电外科设备中，返回电极被设置在病人身体的其它地方，并且典型地非电外科设备自身的一部分。在单极电外科设备中，返回电极通常是被称作返回垫的设备的一部分。电外科发生器包括控制在一段时间内施加到负载，即组织，的功率的控制器。基于在电外科发生器的输出端处确定的功率和由使用者设定的功率水平或为达到期望的组织效果所需要的功率水平来控制施加到负载的功率。电外科发生器输出端处的功率通过测量电外科发生器输出端处的电压和电流以及基于测量的电压和电流计算平均功率来确定。然而，由于在电压和电流测量中的误差，在电外科发生器的输出端处由传感器测得的电压和电流可能与施加到负载，即组织，的实际电压和电流不相等。这些测量误差可能由将电外科发生器连接到电外科设备的线缆中的寄生效应、模拟处理电路中的寄生效应、和/或模拟至数字转换过程的延迟导致。结果，功率计算可能不准确并且可能导致施加到组织的电外科能量的不正确控制。
发明内容
本发明的系统和方法通过在期望频率处或在窄带宽的频率内使用均衡器来校准电外科发生器内的功率测量，来准确确定实际施加到组织的功率。均衡器具有低的计算复杂度并且可使用普遍可用的微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、或数字信号处理器(DSP)来实现。在一个方面,本发明的特征在于一种电外科发生器系统。这个系统包括电外科发生器和通过电外科线缆耦接至电外科发生器的电外科设备。该电外科设备被配置为施加电外科能量至体组织。电外科发生器包括射频(RF)电能量源、耦接至RF电能量源的电压检测器、耦接至RF电能量源的电流检测器、被配置为均衡由电压检测器检测的电压和由电流检测器检测的电流的均衡器单元、和基于均衡后的电压和电流计算功率的功率计算单元。在一些实施例中，电外科发生器包括数字信号处理器(DSP),其包括均衡器单兀和功率计算单元。均衡器单元可包括最小均方(LMS)自适应滤波器、增益和分数延迟线、至少一个增益和全通延迟滤波器、或带通参数均衡器。带通参数均衡器可以是倾斜增强滤波器、倾斜截止滤波器、或峰值滤波器。均衡器单元还可以包括多相滤波器和抽取器，被配置为作为组合功能来执行均衡、滤波、和抽取。在一些实施例中，电外科发生器系统进一步包括电性耦接至电流和电压检测器的模数转换器。功率计算单元计算施加到电外科设备的实际功率。
在另一个方面,本发明的特征在于一种控制电外科发生器系统的方法。该方法包括产生RF电能量，感测该RF电能量的电压和电流，均衡该RF电能量的电压和电流，基于均衡后的电压和电流计算功率，并基于计算的功率来修正RF电能量的功率以得到期望的组织效果。在一些实施例中，均衡RF电能量的电压和电流包括使用LMS自适应滤波器对感测到的电压和感测到的电流进行滤波。在其它实施例中，均衡RF电能量的感测到的电压和感测到的电流包括向感测到的电压和感测到的电流施加增益并延迟向感测到的电压和感测到的电流施加增益的结果以校正不相等的群延迟。该延迟可以是分数延迟线滤波器。在一些其它实施例中，均衡RF电能量的感测到的电压和感测到的电流包括向感测到的电压和感测到的电流施加增益并使用全通延迟滤波器来对结果进行滤波。在一些其它实施例中，均衡RF电能量的感测到的电压和感测到的电流包括使用诸如倾斜增强滤波器、倾斜截止滤波器、或峰值滤波器之类的带通参数均衡器，来均衡RF电能量的感测到的电压和感测到的电流。在一些实施例中，该方法包括将感测到的电压和电流转换为数字形式。另外，基于均衡后的电压和电流计算功率包括计算施加到负载的实际平均功率。此外，修正RF电能量的功率包括基于计算得到的组织阻抗，比较计算得到的功率与预设功率值或期望功率值，并且基于比较计算得到的功率与预设功率值或期望功率值的结果，修正电外科能量的功率。在另一个方面，本发明的特征在于一种校准电外科发生器中的功率测量的方法。该方法包括选择阻抗元件；将该阻抗元件跨接于电外科发生器的输出端子；产生期望频率的测试信号；将该测试信号施加到该阻抗元件；在输出端子处测量该测试信号的电压和电流分量的第一幅度值和第一相位角值；使用用于电压分量的第一均衡器和用于电流分量的第二均衡器估计测试信号的电压和电流分量的第二幅度值和第二相位角值；基于该测试信号的电压和电流分量的测量的和估计的幅度确定第一和第二均衡器的增益校正因子；以及基于测试信号的电压和电流分量的测量的和估计的相位角确定第一和第二均衡器的最小相位角。
本发明的各种实施例结合下面相应的附图进行描述，其中
图I是根据本发明的实施例的电外科系统的说明图；图2是根据本发明实施例的耦接至医疗设备的图I中的电外科发生器的框图；图3是根据本发明的实施例的图2中的均衡器的框图；图4是根据本发明的另一个实施例的图2中的均衡器的框图；图5是根据本发明的另一个实施例的图2中的均衡器的框图，该均衡器包括分数延迟线滤波器块；图6A和6B是根据本发明的实施例的图5中的分数延迟线块的框图；图7A-7C是根据本发明的其它实施例的均衡器的框图；图8是根据本发明的其它实施例的数字梳状滤波器形式的均衡器的框图； 图9根据本发明的实施例的耦接至测试附件的图I中的电外科发生器的框图；和图10是根据本发明的其它实施例的校准电外科发生器中的功率测量的方法的流程图。
具体实施例方式图I示出了根据本发明的实施例的单极和双极电外科系统100。电外科系统100包括电外科发生器102，其测量和计算通过电外科设备传送到负载的功率。电外科发生器102执行单极和双极电外科过程，包括血管闭合过程。电外科发生器102可包括用于与各种电外科设备(例如单极有源电极108、返回垫110、双极电外科镊子112和脚踏开关(未示出))接口连接的多个输出端(例如，端子104和106)。电外科发生器102还包括为各种电外科模式(例如，切割、凝结或切除)和过程(例如，单极、双极或血管闭合)产生射频功率的电路。电外科系统100包括用于治疗病人的组织的具有一个或多个电极108的单极电外科设备114 (例如，电外科切割探针或切除电极)。电外科能量，例如射频(RF)电流，由电夕卜科发生器102通过供应线116被施加到设备114，供应线116连接至电外科发生器102的有源端子104，以允许设备114凝结、闭合、切除和/或以其他方式治疗组织。电外科电流通过返回垫110的返回线118从组织返回到电外科发生器102的返回端子106。有源端子104和返回端子106可包括被配置为与布置在设备114的供应线116的末端和返回垫110的返回线118的末端的插头(也未明确示出)接口连接的连接器(未明确示出)。电外科系统100包括位于返回垫110内的返回电极120和122，它们被布置为通过最大化与病人组织的总体接触面积来使组织损伤的风险最小。此外，电外科发生器102和返回垫110可以被配置为监视病体组织接触(tissue-to-patient contact)以确保在返回垫110和病人之间存在充分接触以使组织损伤的风险最小。电外科系统100还包括用于治疗病人的组织的具有两个或多个电极(例如，电极124,126)的双极电外科镊子设备112。设备112包括相对的夹爪构件134、136。第一夹爪构件134包括有源电极124，并且第二夹爪构件136包括返回电极126。有源电极124和返回电极126通过电缆128可连接到电外科发生器102，电缆128包括供应线130和返回线132。供应线130可连接至有源端子104，并且返回线132可连接至返回端子106。设备112通过布置在电缆128的末端的插头(未明确示出)连接至电外科发生器102的有源端子104和返回端子106。
电外科发生器102可以是任何合适类型的发生器(例如，电外科发生器或微波发生器)，并可以包括多个连接器以适应各种类型的电外科设备(例如，设备114和电外科镊子112)。电外科发生器102还可以被配置成运行在多种模式下，例如切除、单极切割、双极凝结和其它模式。电外科发生器102可包括开关机制(例如，继电器)以在连接器之间切换RF能量的供应。例如，当设备114被连接至电外科发生器102时，该开关机制将RF能量的供应切换到仅单极插头。有源端子104和返回端子106可以被耦接至电外科发生器102的多个连接器(例如，输入和输出)以向多种设备供电。电外科发生器102包括适当的输入控制(例如，按钮、激励器、开关或触摸屏)以用于控制电外科发生器102。此外，电外科发生器102可包括一个或多个显示屏，用于向用户提供多种输出信息(例如，强度设置和治疗完成指示)。这些控制允许用户调整RF电能量的参数(例如，功率或波形)，使得它们适合特定的任务(例如，凝结、组织闭合或切割)。设备112和114还可包括多个输入控制，其可与电外科发生器102的特定输入控制冗余。在设备112和114处设置输入控制使得在外科手术期间更容易和更快地修正RF能量参数，而 不需要与电外科发生器102交互。图2是根据本发明实施例的图I中的电外科发生器102和对应的医疗设备201的框图。电外科发生器102包括控制器200、高电压电源202和射频输出级204。控制器200包括微处理器206和存储器209。该微处理器可以是任何适合的微控制器、微处理器(例如，哈佛或冯·诺依曼体系结构)、PLD、PLA或其它合适的数字逻辑。存储器209可以是易失性的、非易失性的、固态、磁性的或其它合适的存储器。控制器200还可包括各种电路(例如，放大器或缓冲器)，其作为微处理器206和电外科发生器102内的其它电路之间的接口。控制器200接收各种反馈信号，反馈信号由微处理器206分析以基于反馈信号提供控制信号。来自控制器200的控制信号控制HVPS202和RF输出级204以提供电外科能量给组织，组织由负载210 ( Ztoad )表示。HVPS 202包括能量转换电路208，其将处于第一能量水平的来自AC源的AC或来自直流(DC)源的DC转换为处于第二不同能量水平的DC。能量转换电路208基于来自控制器200的控制信号提供处于第二不同能量水平的DC功率至RF输出级204。RF输出级204转换从能量转换电路208输出的DC功率以产生高频交流电流(例如，RF AC)，其被施加到负载210。例如，RF输出级204可使用耦接至升压变压器(未示出)的原边侧的推挽式晶体管产生高频交流电流。电外科发生器102和控制器200包括确定和控制实际施加到负载210 ( Zioaci )的功率的电路。负载210处的平均功率可根据下面的等式计算
^avg =V rms'Irms .COS^W,其中，Pavg是以瓦特为单位的平均功率，Vrms是正弦的负载电压Vltjad的均方根值，Irms是正弦的负载电流Iltjad的均方根值，以及外7是负载电压vlMd和负载电流Iltjad之间的相位角。可替换地，平均功率可根据下面的等式计算Pavg=^[_TV{t)-i(t)dt,
其中，T是平均时间常数，v(t)是负载电压关于时间的函数，以及i(t)是负载电流关于时间的函数。控制器200使用计算得到的负载处的平均功率作为反馈来控制能量转换电路208，使得负载处的平均功率等于由用户设定的功率水平以达到期望的组织效果。如图2所示，电外科发生器典型地包括耦接至RF输出级204的输出端的电压传感器211和电流传感器212，用于感测电压和电流以用于平均功率计算。电压传感器211测量RF输出级204的输出导线两端的电压，并向模数转换器(“ADC”) 215提供代表测量的电压的模拟信号。ADC 215将模拟信号转换为数字信号。电流传感器212测量RF输出级204的输出导线上的电流，该输出导线连接到电外科发生器102的输出端子104。电流传感器212向ADC 215提供代表测量的电流的模拟信号，ADC 215将该模拟信号转换为数字信号。在一些电外科发生器中，数字电压和电流信号被用于计算负载处的平均功率。然而，与测量电路(例如，传感器211、212和ADC 215)相关的处理延迟以及线缆205和测量电路中的电寄生分量可能会在电压和电流测量中引入误差。由于这些测量中的误差，测量的电压的幅度可能不等于实际施加到负载210的电压的幅度，和/或测量的电流的幅度可能不等于实际施加到负载210的电流的幅度，和/或测量的电压和电流之间的相位差可能不等于实际施加到负载210的电压和电流之间的相位差。结果，基于该电压和电流的幅度和它们的相位差计算得到的平均功率可能不等于实际施加到负载210的平均功率。根据本发明的实施例的系统和方法通过引入均衡器使得这些测量误差最小化，所述均衡器用于均衡在电外科发生器102中进行的功率测量和施加到负载210的实际功率。如图2所示，电外科发生器102包括均衡器221 (例如，滤波器或算法)。第一均衡器221串联耦接至电压传感器211和对应的ADC 215，并且第二均衡器221串联耦接至电流传感器212和对应的ADC 215。均衡器221在控制器200的数字信号处理器(DSP) 220内实现。均衡器221接收来自传感器211、212的测量值并产生估计的负载电压^^和估计的负载电流. DSP 220还实现平均估计功率计算器225，其基于估计的负载电压^^和估计的负载电流计算负载处的平均估计功率么^。平均估计功率计算器225包括用于将估计的负载电压0^和估计的负载电流^_相乘的乘法器224和将来自乘法器224的输出进行积分的积分器226以得到负载处的平均估计功率。DSP 220将计算的负载处的平均估计功率>%传送到微处理器206，微处理器206使用负载处的平均估计功率来控制能量转换电路208。例如，微处理器206可以基于负载处的平均估计功率和可由用户选择的期望的功率水平，执行比例-积分-微分(PID)控制算法，来确定为达到和保持期望功率水平，能量转换电路208应该提供的电流的量。图3是根据本发明实施例的使用最小均方(LMS)有限脉冲响应(FIR)自适应滤波器的均衡器221的框图。均衡器221包括LMS滤波器302、LMS权重自适应单元304、期望
响应输入单元306和平均估计功率(Pavg )计算器308。均衡器可使用多相结构实现，诸如图6B中所示的多相结构。LMS滤波器302基于权重向量对数字输入值Xk(例如，表示测量的电压或测量的电流的数字值)进行滤波以产生滤波输出值yk。权重向量LMS权重自适应单元304基于滤波输出值yk和期望响应dk产生。
LMS权重自适应单元304的期望响应dk可以是预先计算的“伪滤波器(pseudo-filter)”，或时间序列。期望响应dk可具有电外科系统中的收敛自适应滤波器的理想化的幅度和相位对频率响应。例如，如果来自系统的收敛输出电流匹配预先测量的在一个或多个频率处的幅度和相位值，那么这个信息被用于构建序列dk和/或伪滤波器。期望响应序列dk可以在电外科发生器102的校准过程期间构建。对单一频率f\，该校准过程首先包括使用RF输出级204产生下面的测试信号X (t) = A1Sin (2 π f^),其中，幅度A1是测得的或已知值。该测试信号被施加到阻抗负载(例如，图9中的测试电阻器910)，其被选中用于为标称电压和电流提供最小相位偏移。期望响应单元306 然后产生期望响应序列dk。通过采样正弦校准信号d(t)形成期望响应序列dk，正弦校准信号d(t)具有已知的激励幅度或具有与测试信号X (t)相同的幅度(即，A1),但是根据在ADC 215的输入和自适应滤波器(即，LMS滤波器302和LMS自适应单元304的组合)的输出yk之间的测量的或已知的相位Θ i被延迟。也就是说，相位Θ i代表由位于RF输出级204和LMS滤波器302的输出yk之间的ADC215和其它电子或数字组件引入的延迟。这样的校准信号可以表述如下d(t) = A1Sin (2 π f^+ Θ j).对多个频率fn，其中η = 1，…，N，校准过程包括使用RF输出级204产生下面的测试信号序列xn (t) = Ansin (2 π fnt),其中n=l，…，N并且幅度An是测得的或已知值。测试信号序列被加起来并施加到阻抗负载(例如图9中的测试电阻器910)。多个频率的期望响应序列dk通过采样多个下面表达式给出的多个正弦校准信号的和形成dn(t) = Ansin (2 n fnt+ θ η) ·其中，η=1，-,No校准信号dn(t)具有已知的激励幅度或具有与相应的测试信号Xn(t)相同的幅度(即，An)，但是根据在ADC 215的输入和自适应滤波器(即，LMS滤波器302和LMS自适应单元304的组合)的输出yk之间的测量或已知的相位911被延迟。在自适应的结尾，电压和电流的估计相位或延迟在所关注的期望频率处将彼此相等或大约相等，只剩下电压和电流的测量的相位或延迟之间的差。同样，测量的电压和电流的幅度也将等于或大约等于估计的电压和电流的相应的幅度。图4是根据本发明的另一实施例的使用LMS滤波器的均衡器221的详细框图。LMS滤波器302，其可以是有限冲激响应(FIR)滤波器，包括一系列时间移位单元402a-402n和一系列耦接至数字输入信号Xk的权重单元404a-404n。在操作期间，更新的权重向量
从LMS自适应单元304馈送到LMS滤波器302并且变成当前权重向量,当前权重向量包括权重值Wtlk, wlk···，WLk。第一权重单元404a将数字输入信号Xk与当前权重向量示的第一权重值Wtlk相乘。时间-移位单元402b-n时间移位该数字输入信号Wk以得到时间移位的数字输入信号Xk-P xk-2…，Xk-L。数字输入信号Xk和时间移位的数字输入信号xk-i，xk-2…，Xk-L 一起形成数字输入向量文A。
如图4所示，权重单元404b-n连接到时间移位单元402b-402n的相应输出。在这个配置中，权重单元404b-n将数字输入向量^勺时间移位的数字输入信号Xk+ xk_2…，Xlrt和当前权重向量P4的相应权重值Wlk-^wut相乘。数字输入信号Xk的时间移位和加权的结果由加法器406相加在一起以得到数字输出信号yk。数字输出信号yk被馈送回LMS权重自适应单元304，在其中由减法器408从期望响应dk中减去数字输出信号yk以得到数字误差信号ek。LMS权重自适应单元304包括更新计算单元410，其使用数字误差信号ek、输入向量5^和权重向量来根据下面的LMS更新等式计算更新的权重向量
权利要求
1.一种电外科发生器系统,包括 电外科发生器，该电外科发生器包括 电能量源； 耦接至该电能量源的电压检测器； 耦接至该电能量源的电流检测器； 被配置用于估计施加到负载的电压和电流的均衡器；和 被配置用于基于估计的电压和电流计算施加到该负载的功率的功率计算单元；和通过电外科电缆耦接至该电外科发生器的电外科设备，该电外科设备被配置用于向组织施加电外科能量。
2.根据权利要求I所述的电外科发生器系统，其中该均衡器包括最小均方(LMS)自适应滤波器。
3.根据权利要求I所述的电外科发生器系统，其中该均衡器包括増益元件和分数延迟线滤波器。
4.根据权利要求I所述的电外科发生器系统，其中该均衡器包括至少ー个増益和全通延迟滤波器。
5.根据权利要求I所述的电外科发生器系统，其中该均衡器是从包括倾斜增强滤波器、倾斜截止滤波器和峰值滤波器的组中选择的參数均衡器。
6.根据权利要求I所述的电外科发生器系统，其中该均衡器包括多相滤波器和抽取器。
7.根据前面任何一项权利要求所述的电外科发生器系统，其中该功率计算单元计算施加到该电外科设备的实际功率。
8.一种控制电外科发生器系统的方法，包括 产生电能量； 感测所述电能量的电压和电流； 均衡所感测的电压和电流； 基于均衡后的电压和电流计算功率；以及 基于计算的功率修正所述电能量的功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中基于均衡后的电压和电流计算功率包括计算施加到负载的实际平均功率。
10.根据权利要求8所述的方法，其中修正电能量的功率包括比较计算得到的功率和预设功率值，以及基于比较计算得到的功率和预设功率值的结果，修正电外科能量的功率。
全文摘要
本发明的电外科系统和方法通过使用均衡器校准功率测量来准确地确定实际施加到负载的功率。该电外科系统包括电外科发生器和通过电外科线缆耦接至电外科发生器的电外科设备。该电外科发生器包括电能量源、电压和电流检测器、估计施加到负载的电压和电流的均衡器和基于估计的电压和电流计算估计的功率的功率计算单元。校准电外科发生器的方法包括在电外科发生器的输出端子跨接阻抗元件，施加测试信号至该阻抗元件，测量在电外科发生器内的测试信号的电压和电流分量的幅度和相位角，使用均衡器估计阻抗元件处的电压和电流的幅度和相位角，并为均衡器确定增益校正因子和最小相位角。
文档编号A61B18/12GK102727303SQ20121017928
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者J·A·吉尔伯特 申请人:泰科保健集团有限合伙公司